Методы экспериментальной физики в избранных технологиях защиты природы и человека

Н А У Ч Н А Я  
М Ы С Л Ь

СЕРИЯ 
О С НО ВА Н А 
В 2008 
ГОДУ

п.п. к о р ж п в ь ш
B.U. КЙПУСТиН
г.в. козьмин

МЕТОДЫ 
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ 
ФИЗИКИ В ИЗБРАННЫХ 
ТЕХНОЛОГИЯХ ЗАЩИТЫ 
ПРИРОДЫ И ЧЕЛОВЕКА

м о н о г р а ф и я

Эле кт ромно
znanium.com

Москва
ИНФРА-М
2018

У Д К  
533.9.01:538.975:502(075.4)
б Б к  
у 
'  
ФЗ 
Издание не подлежит маркировке
т ■ 
№ 436-Ф3 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1
К66

Р е ц е н з е н т ы :
Я.Я. Есаулов — д-р техн. наук, профессор;
B.В. Прасицкий — д-р техн. наук;
C.Я. Черняев — д-р техн. наук, профессор

Коржавый А.П.
К66 
Методы экспериментальной физики в избранных технологиях защиты природы и человека : монография / А.П. Коржавый, 
В.И. Капустин, Г.В. Козьмин. — М. : ИНФРА-М, 2018. — 352 с. — 
(Научная мысль).

В книге изложены избранные методы экспериментальной физики, 
созданные на основе вакуумных СВЧ-, газоразрядных лазеров и приборов 
отпаянного типа для защиты окружающей природной среды и человека; 
показана исключительная роль методологии разработки отпаянного прибора, когда эмитирующий заряженные частицы источник (катод, электрод), 
размещенный внутри его полости, есть основной элемент единой замкнутой 
системы; приведены особенности использования такой системы в устройствах обеспечения жизнедеятельности и сохранения здоровья человека.
Для бакалавров, магистров и аспирантов, научных работников и специалистов, работающих в сфере прикладной физики для техносферной 
безопасности.

Подписано в печать 06.09.2017.
Формат 60x90/16. Печать цифровая. Бумага офсетная. 
Усл. печ. л. 22,0. ППТ20. Заказ № 00000

ТК 393700-938060-250715

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М» 
127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1.
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. 
Факс: (495) 280-36-29 
E-mail: books@infra-m.ru 
http://www.infra-m.ru

ISBN 978-5-16-011278-7 (print) 
ISBN 978-5-16-103458-3 (online)

УДК 533.9.01:538.975:502(075.4) 
ББК 32.85

ISBN 978-5-16-011278-7 (print) 
ISBN 978-5-16-103458-3 (online)
© Коржавый А.П., Капустин В.И., 
Козьмин Г.В., 2012, 2016

Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М» 
127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1 
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

Когда у меня рождается идея, 
я сразу в воображении начинаю 
строить прибор...
Я утверждаю, что воплощение 
на практике сырой идеи, как это 
обычно делается, является не чем 
иным, как потерей энергии, 
г/ времени.
/Никола Тесла. Мои изобретения/

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА

На пороге своего семидесятилетия уверен в том, что коллективный научный труд более объективен по сравнению с типовой монографией, тем более по проблеме, которой посвящена данная 
книга. Методология построения её материала и подход к редактированию складывался не без влияния учителей, с которыми мне 
в жизни просто везло.
После опустошительной для нашей страны Второй мировой 
войны мое поколение росло в особой обстановке: отцы навечно 
остались на полях сражений, а нашим матерям и их родителям 
пришлось очень много работать. Вокруг сел и деревень все прилегающие пространства были буквально нашпигованы различным 
оружием. Частично оно было собрано, но в глухих лесных массивах и оврагах его потом утилизировала сама природа. Однако еще 
долго после окончания войны гремели взрывы и гибли мы — любознательные мальчишки.
Нашими первыми учителями стали однорукие, одноногие, а то 
и вовсе обезноженные молодые парни, возвратившиеся с войны 
инвалидами. Они как-то потом незаметно исчезли из жизни, но успели убедительно объяснить нам, что красиво раскрашенные зажигательные снаряды и изящно исполненные мины и гранаты — это 
смерть. Мне повезло, и я уцелел. Дошкольное образование я получал за высоким забором деревенской усадьбы: бабушка укрощала 
мое любопытство розгами, а дедушка обучил немецкому языку (он

3

сам знал его в совершенстве, поскольку провел много лет в австрийском плену). Средняя школа в то время давала разносторонние 
знания. В лабораториях физики и химии, и особенно на уроках 
УПК, где в старших классах мы разбирали и собирали двигатели 
автомобиля и трактора, по-настоящему была удовлетворена моя 
тяга к технике и экспериментированию. Потом, в Харьковском 
университете [1], с этим было еще лучше. В техникуме (не помню 
его названия) по дисциплине УТП мы обучались токарному, фрезерному и слесарному делу. Зачет принимал мастер, когда ему 
предъявлялся молоток, полностью изготовленный своими руками. 
После третьего курса на практику, и затем, до завершения выпускных работ, мы направлялись в Украинский физико-технический 
институт (УФТИ) в Пятихатках (ныне туда переместился и университетский физико-технический факультет).
Блестящее поколение академиков учило нас физике: И. М. Лиф- 
шиц (теоретическая физика), А. И. Ахиезер (механика и молекулярная физика), А. Г. Ситенко (атомная физика), В. Г. Барьяхтар 
(элементы квантовой теории металлов). В. Е. Иванов (материалы 
реакторостроения) читал нам курс на английском языке. Являясь 
зам. директора УФТИ (а затем и его директором) и по совместительству заведующим кафедрой в университете, он создавал нам, 
студентам, все условия для выполнения дипломных работ в лабораториях института под руководством блестящих экспериментаторов.
Я гордился тем, что прошел такую школу, а также и тем, что 
после окончания университета, в новом НИИ в г. Калуге, начал 
работать в тех же творческих условиях: его директор Ф. И. Бусол, 
главный инженер А. М. Гончаренко и руководители направлений
— С. И. Файфер, И. С. Болгов, В. В. Лебедев, В. И. Стрелов и др.
— прибыли для работы в институт именно оттуда. Институт только создавался, и эти профессионалы нам, молодым специалистам, 
определили лишь направление деятельности, не ограничивая деталями. Хотя на ежеквартальных заседаниях НТС отчет каждого был 
обязательным. Это была хорошая школа.
Техника получения образцов и методы исследования [2-4], 
структуры с оксидами (планарные многокомпонентные и композиционные) в электрических и магнитных полях, в вакууме и газовом 
разряде и стали целью первых моих поисковых исследований [5].

4

Было ясно, что экспериментальные макеты, моделирующие физико-химические процессы, происходящие в реальных приборах, — 
первый и необходимый предмет для всестороннего изучения 
свойств создаваемых эмиттирующих объектов. Важно смоделировать хотя бы основные условия, в которых будут эксплуатироваться новые источники эмиссии. И зарубежные коллеги [6], и мы, понимая это, создали прежде всего технологии герметизации с целью 
получения надежных экспериментальных приборов [7, 8]. Методология создания таких макетов должна предусматривать адекватность форсированных режимов испытаний в них, наблюдаемым 
в реальных приборах. Поэтому эмиттирующие композиции для 
вторично-электронных, термоэлектронных, ионно-электронных катодов и электродов, их параметры и конструкции разрабатывались 
и реализовывались в творческом взаимодействии с главными конструкторами и основными специалистами, создающими новые сверхвысокочастотные (СВЧ) приборы, газоразрядные лазеры и лампы, 
а также системы на их основе (Г. И. Артюх, Н. П. Есаулов, В. П. Марин, В. Н. Ильин — НИИ «Титан», г. Москва; В. А. Степанов, 
J1. И. Киселева, А. В. Горелик, В. Н. Дронов — НИИ газоразрядных 
приборов, г. Рязань; В. А. Варенцов, В. А. Гриневич, Д. П. Процен- 
ко — СКБ «Арсенал», г. Киев; А. В. Мельников, М. М. Назаренко, 
Ю. Д. Голяев, Э. П. Пролейко, Г. А. Чистяков — НИИ «Полюс», 
г. Москва; Б. 3. Нейман, А. А. Анашкин, В. Д. Котов, М. А. Фурса- 
ев — ОКБ «Тантал», г. Саратов; А. В. Рожанец, А. В. Евтеев — 
Дятьковский завод газоразрядных приборов, г. Дятьково; Б. В. Ефимов, Е. А. Измайлов — Московский институт электромеханики 
и автоматики, г. Москва; И. П. Мазанько — НПО «Астрофизика»; 
Б. П. Ремизов — НИИП, г. Москва; Е. П. Остапченко — СКБ завода 
«Полярон», г. Львов; В. П. Тычинский, Б. Ч. Дюбуа — НИИ «Исток», г. Фрязино и др.). Совместно создавались как приборы, так 
и ряд систем на их основе.
Новые сведения об источниках заряженных частиц и приборах на 
их основе публиковались в различных журналах и научно-технических сборниках. К сожалению, в определенный исторический период в подавляющем большинстве эти издания канули в неизвестность вместе с исчезнувшими или реформированными НИИ и КБ, 
и если что-то осталось, то, возможно, в секретных изобретениях.

5

Судьба открытых публикаций по фундаментальным исследованиям свойств создаваемых композиций, выполненным совместно 
с коллегами из университетов, оказалась иной. Для вышеприведенных целей требуются особые методы исследований, оригинальное аналитическое оборудование и изыскания в области альтернативных технологий. Это стратегия мировой науки.
Они проводились с участием коллег из различных университетов и институтов (А. И. Бажин, С. В. Теплов, В. А. Ступак — ДонГУ, г. Донецк; Е. Т. Кучеренко, В. 3. Шаповал — Киевский гос- 
университет им. Т. Г. Шевченко; Г. Г. Бондаренко, А. А. Шмыков,
A. Н. Тихонов — МИЭМ, г. Москва; А. А. Фомичев, Е. П. Шешин
— МИФИ, г. Долгопрудный; А. С. Сигов, В. И. Капустин — 
МИРЭА, г. Москва; К. Г. Никифоров, Д. К. Никифоров — КГУ 
им. К. Э. Циолковского, г. Калуга; В. В. Андреев, А. А. Столяров,
B. Г. Барышев, В. В. Бобрецов — КФ МГТУ им. Н. Э. Баумана; 
Г. В. Козьмин — ВНИИ сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии, г. Обнинск; В. С. Хмелевская — ИАТЭ, г. Обнинск;
Э. М. Соколов, J1. Э. Шейнкман — ТулГУ, г. Тула и др.). Совместные наши публикации широко известны, но научное сотрудничество продолжается до настоящего времени [9-21].
Прикладные исследования и разработка технологий различных 
типов источников электронов осуществлялась коллегами и учениками 
в Калуге — в Институте материалов электронной техники и в КФ 
МГТУ им. Н. Э. Баумана. Их результаты, имена основных соавторов — ученых, инженеров и специалистов — приведены частично 
в работах [22-39]. Некоторые теоретические и экспериментальные 
результаты, полученные в составе этих трех авторских коллективов, и положены в основу настоящей книги.
Столь пространные рассуждения о составе и деятельности творческих коллективов специалистов, работавших над идеей создания 
управляемых потоков электронов, эмиттированных с холодных 
и горячих поверхностей, преследуют лишь одну цель: без высоконадежных и долговечных источников электронов не были бы достигнуты уникальные параметры отечественных вакуумных СВЧ- 
приборов, газоразрядных лазеров и ламп — основы систем радиолокации, навигации и освещения. Суть самой идеи заключается 
в том, что прибор и источник электронов — замкнутая система,

6

функционирующая как единое целое. Вынесенное в эпиграф утверждение Николы Теслы совершенно верно — идея по созданию 
того или иного прибора не будет сырой, если предварительно будут четко изучены и установлены механизмы взаимодействия 
внутри этой системы. Недостаточно иметь источник электронов 
с определенными свойствами, как это было сделано, например, для 
резисторов и конденсаторов, а надо изучить и понять суть всех физико-химических процессов, происходящих в данной замкнутой 
системе, чтобы, варьируя материалом, формой и конструкцией источника электронов, обеспечить нужные параметры прибора. Причем воспроизводимость свойств источников электронов, сохранение стабильности их параметров, обеспечение минимального разброса свойств от партии к партии требуют разработки методов 
и аналитической аппаратуры такого уровня, чтобы их качество гарантировало получение достоверных результатов анализа, удовлетворяющих и разработчиков источников электронов, и создателей 
приборов, и конструкторов систем на их основе.
Эта важная проблема экспериментальной физики, решаемая целым поколением ученых и инженеров, так и не была должным образом обобщена и оценена, за исключением, возможно, работ [40-45]. 
По-видимому, это произошло потому, что конечной целью всегда 
были приборы и системы, а всё остальное — досадным промежуточным барьером. Хотел бы надеяться, что мне при решении этой 
проблемы удалось в какой-то степени привить большому коллективу любовь к тонкому экспериментированию и коллективному 
творчеству, характерному для УФТИ.
Данная книга частично восполняет пробел, который авторы пытались проиллюстрировать на примере создания отечественных 
магнетронов и некоторых газоразрядных лазеров и ламп. Основной 
же её целью является освещение проблемы разработки и применения, на основе вышеназванных приборов, новых методов в сфере 
защиты природы, сохранения здоровья и жизни человека. Выбор 
методов и технологий для данной книги принадлежит редактору, 
и он в полной мере несет ответственность за него. Авторы редактируемой книги с начала 90-х годов прошлого века занимались исследованиями по созданию методов экспериментальной физики 
для природоохранных целей и защиты окружающей среды. Значи7

тельная помощь в оформлении рукописи данной книги оказана её 
авторам Н. С. Сапроновой, за что я от их имени выражаю ей самую 
искреннюю признательность.

ЛИТЕРАТУРА К ПРЕДИСЛОВИЮ

1. Харювский нацюнальний ушверситет iM. В. Н. Каразша за 
200 роюв / В. С. Батрое, В. М. Духопелъников, Б. 77. Зайцев 
та ш. — Харюв : Фолю, 2004. — 750 с.
2. Мюллер К. Исследование процессов окисления дисилицида 
вольфрама / В кн.: Новые материалы, получаемые методами 
порошковой металлургии. Пер. с немецкого Г. Г. Кефера. — 
М. : Металлургия, 1966. — С. 98-104.
3. Влияние условий получения силицидных слоев на молибдене 
на некоторые их свойства / Е. 77. Нечипоренко, А. Д. Осипов, 
А. 77. Коржавый, 77. С. Полтавцев. В кн.: Температуроустойчивые защитные покрытия. — Л. : Наука, 1968. — С. 68-74.
4. Хауффе К. Реакции в твердых телах и на их поверхности / 
Пер. с немецкого А. Б. Шектера. — М. : Изд-во иностранной 
литературы, 1963. Часть 2. — 275 с.
5. Файфер С. 77., Кофтелев В. Г., Коржавый А. 77. Об электропроводящих керментах для подогревателей катодов // Электронная техника. Материалы. — 1969. — Вып. 6. — С. 3-10.
6. Hochuli С/., Haldemann P. Indium Sealing Techniques // Rev. Sci. 
Instr. — 1972. — V. 43. — P. 1088.
7. Файфер С. 77., Кофтелев В. Г., Коржавый А. П. Высокотемпературное диффузионное соединение молибдена и тантала 
с электропроводящими керметами на основе окиси алюминия 
/ В кн.: Диффузионное соединение в вакууме металлов, сплавов 
и неметаллических материалов. — М. : Изд-во ПНИЛДСВ,
1970. — С. 111-119.
8. Варенцов В. А., Коржавый А. Я., Бритун В. Ф. Исследование 
границы электроадгезионных соединений некоторых материалов электронной техники // Электронная техника. Материалы.
— 1983. — Вып. 12 (085). — С. 36-39.
9. Исследование и разработка методов контроля активного слоя 
вторичных электронных эмиттеров / А. 77. Бажин, В. П. Шестов, А. 77. Коржавый и др. — М. : ВИНИТИ, 1983. — 110 с.

8

10. Восходящая диффузия примесных атомов замещения в приповерхностном слое кристалла I А. И. Бажин, С. В. Теплое, 
А. 77. Коржавый II Украинский физический журнал. — 1987.
— Т. 32, № 1. — С. 116-119.
11. Евдокимов О. И., Коржавый А. 77., Шаповал В. 3. Влияние параметров газовой смеси и конструкций разрядного промежутка на генерацию и мощность излучения гелий-неонового лазера // Электронная техника. Материалы. — 1986. — Вып. 4 
(215). — С. 74-76.
12. Изменение термоэмиссионных свойств катодов типа металл- 
оксиды ЩМ и ЩЗМ под влиянием электронной бомбардировки / К. 77. Редёга, А. 77. Коржавый, А. А. Шмыков, И. А. Тищенко I/ Электронная техника. Материалы. — 1985. — Вып. 6 
(205). — С. 11-14.
13. Бондаренко Г. Г., Коржавый А. 77. Ионно-плазменное напыление алюминиевых и бериллиевых покрытий на внутренние 
поверхности полых цилиндрических катодов // Известия РАН. 
Металлы. — 1995. — № 4. — С. 167-171.
14. Бондаренко Г. Г., Коржавый А. 77. Эффективные эмиттеры на 
основе никеля, палладия и платины // Известия РАН. Металлы. — 2000. — № 4. — С. 114-117.
15. Патент РФ № 2175804. Газовый лазер на тлеющем разряде 
(по заявке № 2000112332 от 18.05.00) / Г. М. Калистратова, 
А. 77. Коржавый, А. А. Фомичев и др. — 2001. — Б. И. № 31.
16. Коржавый А. 77., Марин В. 77., Сигов А. С. Некоторые аспекты 
создания технологий и конструкций изделий квантовой электроники // Наукоемкие технологии. — 2002. — Т. 3, № 4. —
С. 20-31.
17. Никифоров Д. К., Коржавый А. 77., Никифоров К. Г. Влияние 
диэлектрического нанослоя на эмиссионные свойства структур А1-А120 3 и  Ве-ВеО // Известия РГПУ им. А. И. Герцена. 
Естественные и точные науки. Физика. — 2009. — № 11 (79).
— С. 153-159.
18. А.с. СССР № 1101924. Металлопористый катод прямого накала / В. Д. Чигринец, В. В. Бобрецов, А. 77. Коржавый и др. — 
1984. — Б. И. №25.
19. Капустин В. И., Коржавый А. 77. Новая безреагентная технология для очистки питьевой воды и осадков сточных вод / В кн. :

9

Состояние и охрана окружающей среды в Калуге. — Калуга : 
Изд-во «Экоаналитика», 2009. — С. 31-33.
20. Основы ведения сельского хозяйства в условиях радиоактивного загрязнения : учебное пособие / Г. В. Козъмин, С. В. Круглов, Б. И. Яцало и др.; Под общ. ред. А. П. Коржавого. — М. : 
Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. — 184 с.
21. Влияние электромагнитного излучения на изменение концентрации металлов в модельных растворах / Э. М. Соколов, 
А. 77. Коржавый, Л. Э. Шейнкман, Н. 77. Лапа II Известия 
Тульского государственного университета. Экология и рациональное природопользование. — Москва-Тула : Изд-во ТулГУ,
2006. — Вып. 1. — С. 21-29.
22. Коржавый А. 77., Писачев 77. Е., Редёга К. 77. Исследование 
влияния неоднородности плазмы на работоспособность полого холодного катода // Электронная техника. Материалы. — 
1977. — Вып. 10. — С. 16-22.
23. Влияние некоторых факторов на образование газовых включений в многослойных материалах I А. П. Коржавый, Г. Ф. Лоренц, Э. А. Нарусевич, В. М. Соболев II Электронная техника. 
Материалы. — 1979. — Вып. 4. — С. 8-15.
24. Эффективные катодные материалы / В. Ф. Арцыхович, Ф. И. Бу- 
сол, А. П. Коржавый и др. II Электронная промышленность. — 
1984. — Вып. 5. — С. 50-52.
25. Коржавый А. Я., Корчагина Е. Е., Прасицкий В. В. Малогабаритный холодный катод гелий-неонового лазера // Электронная техника. Лазерная техника и оптоэлектроника. — 1986. — 
Вып. 4 (238). — С. 4-5.
26. Протяженные импрегнированные катоды / Б. Ю. Адамяк, 
А. 77. Коржавый, В. И. Сень и др. II Электронная техника. 
Электровакуумные и газоразрядные приборы. — 1986. — 
Вып. 3(114). — С. 33-34.
27. О возможности управления свойствами вторично-эмиссионного 
катода / К. 77. Редёга, В. И. Звонецкий, А. 77. Коржавый,
А. Н. Прозоров II Электронная техника. Материалы. — 1987.
— Вып. 6. — С. 17-21.
28. Мороков В. 77., Коржавый А. Я., Савранская Е. С. Технологические пути повышения качества электродов для источников

10